ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

Вопрос 1. Какие химические элементы входят в состав клетки?

В состав клетки входит около 70 элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Из них основная часть (98"%) приходится на макроэлементы - углерод, водород, кислород, азот, которые вместе с серой и фосфором образуют группу биоэлементов.

На долю таких элементов, как сера, фосфор, калий, натрий, железо, кальций и магний, приходится только 1,8% веществ, входящих в состав Клетки.

Помимо этого и состав клетки входят микроэлементы йод (I), фтор (F), цинк (Zn), медь (Cu), составляющие 0,18% от общей массы, и ультрамикроэлементы - золото (Аи), серебро (Ан), платина (Р) входящие в состав клетки в количестве до 0,02%.

Вопрос 2. Приведите примеры биологической роли химических элементов.

Биоэлементы - кислород, водород, углерод, азот, фосфор и сера - являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров - белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот.

Натрий, калий и хлор обеспечивают проницаемость клеточных мембран, работу калий - натриевого (К/Nа-) насоса, проведение нервного импульса.

Кальций и фосфор являются структурными компонентами межклеточного вещества костной ткани. Помимо этого кальций является одним из факторов свертываемости крови.

Железо входит в состав белка эритроцитов - гемоглобина, а медь - в состав сходного с ним белка, тоже являющегося переносчиком кислорода, - гемоцианина (например, в эритроцитах моллюсков).

Магний является обязательной частью хлорофилла клеток растений. А мод и цинк входят в состав гормонов щитовидной и поджелудочной желез соответственно.

Вопрос 3. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте их биологическое значение.

Микроэлементы - вещества, входящие в состав клетки в малых количествах (от 0,18 до 0,02%). К микроэлементам относятся цинк, медь, йод, фтор, кобальт.

Находясь в составе клетки в виде ионов и иных соединений, они активно участвуют в построении и функционировании живого организма. Так, цинк входит в состав молекулы инсулина - гормона поджелудочной железы. Йод - необходимый компонент тироксина - гормона щитовидной железы. Фтор участвует в образовании костей и эмали зубов. Медь входит в состав молекул некоторых белков, например гемоцианина. Кобальт является компонентом молекулы витамина В12, необходимого организму для кроветворения.

Вопрос 4. Какие неорганические вещества входят в состав клетки?

Из неорганических веществ, входящих в состав клетки, наиболее распространенным является вода. В среднем в многоклеточном организме вода составляет до 80% массы тела. Помимо этого, в клетке находятся различные неорганические соли, диссоциированные на ионы. В основном это соли натрия, калия, кальция, фосфаты, карбонаты, хлориды.

Вопрос 5. В чём заключается биологическая роль воды; минеральных солей?

Вода является самым распространенным неорганическим соединением в живых организмах. Ее функции во многом определяются дипольным характером строения ее молекул.

1. Вода - универсальный полярный растворитель: многие химические вещества в присутствии воды диссоциируют на ионы - катионы и анионы.

2. Вода является средой, где протекают различные химические реакции между веществами, находящимися в клетке.

3. Вода выполняет транспортную функцию. Большинство веществ способно проникнуть через клеточную мембрану только в растворенном и воде виде.

4. Вода является важным реагентом реакций гидратации и конечным продуктом многих биохимических реакций, в том числе окисления.

5. Вода выступает как терморегулятор, что обеспечивается ее хорошей теплопроводностью И теплоемкостью и позволяет поддерживать температуру внутри клетки при колебаниях температуры и окружающей среде.

6. Вода является средой для жизни многих живых организмов.

Жизнь без воды невозможна.

Минеральные вещества также имеют важное значение для процессов, происходящих в живых организмах. От концентрации солей в клетке зависят ее буферные свойства - способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.

Вопрос 6. Какие вещества обусловливают буферные свойства клетки?

Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами Н2РО, НРО4-. Во внеклеточной жидкости и крови роль буфера играют карбонат-ион СО и гидрокарбонат-ион НСО. Анионы слабых кислот и щелочей связывают ионы водорода Н и гидроксид-ионы ОН благодаря чему реакция среды почти не меняется, несмотря на поступление извне или образование в процессе метаболизма кислых и щелочных продуктов.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

Вопрос 1. Каковы отличия вклада различных элементов в организацию живой и неживой природы?

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов, что объяснят единство их происхождения. Вклад химических элементов одинаков как для живой, так и для неживой природы.

Вопрос 2. Объясните, как физико-химические свойства воды проявляются в обеспечении процессов жизнедеятельности клетки и целостного организма.

Вода является жидкостью, обладающей уникальным сочетанием целого ряда важных физико-химических свойств.

Молекулы воды обладают высокой полярностью и образуют друг с другом водородные связи. В жидкой воде каждая молекула с помощью водородных связей соединяется с 3 или 4 соседними молекулами. Благодаря огромнейшему количеству водородных связей вода по сравнению с другими жидкостями имеет бóльшую теплоёмкость и теплоту испарения, высокую температуру кипения и плавления, высокую теплопроводность. Наличие таких качеств позволяет воде активно участвовать в терморегуляции.

Вода обладает низкой вязкостью и представляет собой подвижную жидкость. Причиной высокой подвижности воды является очень малое время существования водородных связей. Поэтому в воде постоянно происходит образование и разрушение большого количества водородных связей, что обусловливает данное свойство. Вследствие высокой текучести вода легко циркулирует по различным полостям организма (кровеносным и лимфатическим сосудам, межклеточным пространствам и т.д.).

При участии воды и минеральных солей происходят важнейшие физико-химические процессы, совершающиеся в организме. Так, концентрацией минеральных солей, растворенных в воде, обусловлена величина осмотического давления крови и тканевой жидкости, сохранение которого на постоянном уровне является необходимым условием нормальной жизнедеятельности. Неорганические вещества имеют также значение в поддержании кислотно-щелочного равновесия и в сохранении относительного постоянства активной реакции крови и тканей. Далее, минеральные соли и вода участвуют в явлениях диффузии и осмоса, которые играют роль в процессах всасывания и выделения.

Минеральные соли и вода, кроме того, способствуют сохранению коллоидального состояния живой протоплазмы. Изменение количества воды в организме и сдвиги в солевом составе жидкостей тела и тканевых структур влекут за собой нарушение устойчивости коллоидов, следствием чего могут быть необратимые нарушения и гибель отдельных клеток или организма в целом.

Лишение организма воды и минеральных солей вызывает тяжелые нарушения и смерть. У человека лишение воды может привести к смерти уже через несколько дней. Этот факт следует сопоставить с тем, что при полном голодании и неограниченном поступлении воды возможно сохранение жизни человека даже в течение 40-45 дней. При полном голодании потеря веса может достигать 40%, между тем как при лишении воды потеря даже 10% веса тела сопровождается тяжелыми нарушениями, а потеря 20-22% веса тела влечет за собой смерть.

Важная роль минеральных солей установлена прямыми наблюдениями. Так, при полном лишении животных минеральных солей, т. е. при минеральном голодании, несмотря на достаточное поступление в организм всех остальных питательных веществ и воды, наблюдались потеря аппетита, отказ от еды, исхудание и гибель.
Необходимость постоянного ноступлепня минеральных солей и воды объясняется тем, что организм постоянно теряет некоторые их количества с мочой, потом и калом.

Физиологическая роль разных электролитов различна и многообразна. Так, ионы кальция и фосфора необходимы для построения костной ткани. Ионы кальция имеют значение для осуществления связи возбуждения с сокращением мышцы; ионы натрия и калия необходимы для возникновения биоэлектрических потенциалов. Ионы фосфора в виде остатка фосфорной кислоты входят в состав богатых энергией соединений (аденозинтрифосфорной, креатинфосфорной кислот и др.), а также в состав фосфатидов и фосфопротеинов, имеющих важное значение в функциях нервной ткани и в обмене веществ.

Некоторые химические элементы, входящие в состав организма в очень незначительных количествах (поэтому их называют микроэлементами), как, например, йод, цинк, железо, кобальт, участвуют в синтезе сложных органических соединений, имеющих большое функциональное значениe.

Йод (общее содержание его в организме взрослого человека равняется примерно 0,03 г) необходим дли синтеза гормона щитовидной железы - тироксина. Чрезвычайно важную роль играет железо, количество которого в организме не превышает 3-5 г. Железо участвует в окислительных процессах и транспорте кислорода кровью. Цинк входит в состав фермента и имеет значение образования гормона инсулина. Кобальт входит в состав витамина В12 необходимого для кроветворения.

Минеральные соли относятся к необходимым компонентам принимаемой пищи, а их отсутствие способно привести к гибели живого организма. Они очень активно участвуют в деятельности всех элементов организма, а также в нормализации функционирования его систем. Минеральные вещества необходимы для кроветворения, формирования различных тканей. Так, например, кальций и фосфор – основные структурные элементы костных тканей. Считается, что человеку необходимо не меньше двадцати различных минеральных солей. В наш организм они могут поступать с водой и продуктами питания.

Для некоторых видов продуктов характерна высокая концентрация определенных минеральных веществ, в том числе и редких. Злаки содержат много кремния, а морские растения – йода.

Для нашего организма нормальным является определенный кислотно-щелевой баланс. Его поддержание является основой эффективной жизнедеятельности. Такое равновесие должно быть постоянным, но при некоторых сдвигах в питании оно может колебаться в ту или иную сторону.

Для питания людей характерным считается сдвиг в сторону кислотного характера. Это чревато развитием различных заболеваний, в том числе и атеросклероза.

К кислым минеральным веществам относят хлор, фосфор и серу. Они содержатся в рыбе, мясе, хлебе, яйцах, крупах и т.п. Калий, натрий, магний и кальций – щелочные элементы.

На них богаты такие продукты как фрукты и овощи, ягоды, молоко и его производные.
Чем старше становится человек – тем больше щелочных продуктов должно присутствовать в его рационе.

Самыми необходимыми минеральными солями для нашего организма считаются калий, кальций, фосфор, магний и железо.

Калий относится к щелочным металлам. Он нужен нашему организму для построения мускулов, а также для селезенки и печени. Калий способствует нормализации процессов пищеварения, а в особенности активно стимулирует переработку крахмалов и жиров.

Именно этим объясняется польза этого элемента при запорах. Кроме того он незаменим при нарушениях в циркуляции крови, воспалительных процессах на коже, ослабленной работе сердца и приливах крови.

Быстро проявляется дряблостью мышечной массы, а также нарушениями умственной деятельности. Этот элемент содержится в кислых фруктах, сырых овощах, клюкве и барбарисе, а также в орехах, отрубях и миндале.

Кальций одинаково необходим в любом возрасте. Его соли входят в состав крови, а также межтканевой и клеточной жидкости. Считается, что они необходимы для укрепления защитных систем организма, а также для осуществления и поддержания нервно-мышечной возбудимости.

Роль солей кальция в их важности для сворачиваемости крови, а их недостаток быстро сказывается на деятельности сердечной мышцы. Этот минерал особо необходим для костей скелета.

Кальций присутствует во многих продуктах питания. Но при этом он достаточно тяжело усваивается организмом. Лучше всего его потреблять с молочными продуктами, так, например, в полулитре молока содержится его дневная норма.

При построении рациона питания следует учитывать то, что кальций активно теряется организмом при различных стрессовых ситуациях и во время болезней. Это очень быстро сказывается на состоянии всего организма. Поэтому при потерях кальция следует увеличить его поступления.

Фосфор необходим для стимуляции роста и деятельности организма. Он влияет на развитие костей, а также очень важен для мозга. Стабильное поступление этого элемента необходимо при активной умственной работе. Но следует учитывать, что постоянный избыток фосфора может приводить к образованию опухолей.

Это минеральное вещество содержится в таких продуктах, как печень рыбы, сыр, желток, отруби, огурцы, салат, редиска, миндаль, орехи, чечевица.

Магний необходим для твердости зубов и костей. Этот элемент присутствует и в мускулах, нервах, легких, мозгу, придавая им плотности и эластичности. Недостаток магния в рационе очень быстро сказывается нервным напряжением.

Именно соли магния способны защитить наш организм от негативных воздействий различных стрессов, с помощью поддержки работы клеточных мембран в нервной системе. Содержится в помидорах, шпинате, орехах, сельдерее, винных ягодах, отрубях.

Железо является основным элементом для окисления крови. Без него невозможно образование гемоглобина – красных шариков. При недостатке этого микроэлемента наблюдается малокровие, апатия, пониженная жизненность и бледная немочь. В организме железо откладывается в печени.

Содержится в салате, шпинате, спарже, землянике, тыкве, луке и арбузе.

Минеральные соли относятся к неорганическим элементам. Это значит, что человеческий организм не может синтезировать их самостоятельно. Задачей человека является грамотный подход к построению своего рациона питания.

При этом следует учитывать необходимость строгого баланса в соотношении минеральных солей. Их неправильное сочетание или переизбыток могут нанести вред и иметь негативные последствия.

Так, например, излишнее количество кальция в рационе может приводить к образованию кальцийсодержащих камней в почках. Также этот элемент должен грамотно сочетаться с фосфором и калием. При избытке поваренной соли могут появляться отеки и проблемы с сердечнососудистой системой. Это объясняется тем, что соль задерживает жидкость в организме.

Биологическая роль минеральных солей в организме велика. Для их сбалансированного поступления необходимо грамотно подходить к составлению рациона. При этом не лишним будет советоваться с диетологами.

Все превращения веществ в организме совершаются в водной среде. Вода растворяет пищевые вещества, поступившие в организм. Вместе с минеральными веществами она принимает участие в построении клеток и во многих реакциях обмена.

Вода участвует в регуляции температуры тела; испаряясь, охлаждает тело, предохраняя его от перегрева; транспортирует растворенные вещества.

Вода и минеральные соли создают в основном внутреннюю среду организма, являясь основной составной частью плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости. Они участвуют в поддержании осмотического давления и реакции плазмы крови и тканевой жидкости. Некоторые соли, растворенные в жидкой части крови, участвуют в переносе газов кровью.

Вода и минеральные соли входят в состав пищеварительных соков, что во многом определяет их значение для процессов пищеварения. И хотя ни вода, ни минеральные соли не являются источниками энергии в организме, поступление их в организм и выведение оттуда являются обязательным условием его нормальной деятельности.

Потеря организмом воды приводит к очень тяжелым нарушениям. Например, при расстройстве пищеварения у грудных детей самым опасным является обезвоживание организма, что влечет за собой судороги, потерю сознания и т. д. Именно резкое обезвоживание организма вследствие потери жидкости служит причиной столь тяжелого течения такого инфекционного заболевания, как холера. Лишение воды на несколько дней смертельно для человека.

Обмен воды

Пополнение тела водой происходит постоянно за счет всасывания ее из пищеварительного тракта. Человеку нужно в сутки 2-2,5 л воды при нормальном пищевом режиме и нормальной температуре окружающей среды. Это количество воды поступает из следующих источников: а) воды, потребляемой при питье (около 1 л); б) воды, содержащейся в пище (около 1 л); в) воды, которая образуется в организме при обмене белков, жиров и углеводов (300-350 мл).

Основные органы, удаляющие воду из организма, - почки, потовые железы, легкие и кишечник. Почки за сутки из организма удаляют 1,2-1,5 л воды в составе мочи. Потовые железы через кожу в виде пота удаляют 500-700 мл воды в сутки. При нормальной температуре и влажности воздуха на 1 см2 кожного покрова каждые 10 мин выделяется около 1 мг воды. В пустынях Аравийского полуострова, однако, человек ежедневно теряет с потом около 10 л воды. При интенсивной работе в виде пота выделяется также много жидкости: например, за два тайма напряженного футбольного матча футболист теряет около 4 л воды.

Легкие в виде водяных паров выводят 350 мл воды. Это количество резко возрастает при углублении и учащении дыхания, и за сутки тогда может выделиться 700-800 мл воды.

Через кишечник с калом выводится в сутки 100-150 мл воды. При расстройстве деятельности кишечника с калом может выводиться большое количество воды (при поносе), что может привести к обеднению организма водой. Для нормальной деятельности организма важно, чтобы поступление воды полностью покрывало ее расход.

Отношение количества потребленной воды к количеству выделенной составляет водный баланс .

Если воды из организма выводится больше, чем поступает в него, то возникает чувство жажды . В результате жажды человек пьет воду до восстановления нормального водного баланса.

Обмен солей

При исключении из пищевого рациона животных минеральных веществ наступают тяжелые расстройства в организме и даже смерть. С наличием минеральных веществ связано явление возбудимости - одного из основных свойств живого. Рост и развитие костей, нервных элементов, мышц зависят от содержания минеральных веществ; они определяют реакцию крови (рН), способствуют нормальной деятельности сердца и нервной системы, используются для образования гемоглобина (железо), соляной кислоты желудочного сока (хлор).

Минеральные соли создают столь необходимое для жизнедеятельности клеток определенное осмотическое давление.

При смешанном питании взрослый человек получает все необходимые ему минеральные вещества в достаточном количестве. Только поваренную соль добавляют к пище человека при ее кулинарной обработке. Растущий детский организм особенно нуждается в дополнительном поступлении многих минеральных веществ.

Организм постоянно теряет некоторое количество минеральных солей в составе мочи, пота и кала. Поэтому минеральные соли, так же как и вода, должны постоянно поступать в организм. Содержание отдельных элементов в теле человека неодинаково (табл. 13).

Регуляция водно-солевого обмена

Постоянство осмотического давления внутренней среды организма, определяемое содержанием воды и солей, регулируется организмом.

При недостатке воды в организме повышается осмотическое давление тканевой жидкости. Это приводит к раздражению расположенных в тканях особых рецепторов - осморецепторов . Импульсы от них по специальным нервам направляются в головной мозг к центру регуляции водно-солевого обмена. Оттуда возбуждение направляется к железе внутренней секреции - гипофизу, который выделяет в кровь специальный гормон, вызывающий задержку мочеотделения. Уменьшение выделения воды с мочой восстанавливает нарушенное равновесие.

Этот пример наглядно показывает взаимодействие нервных и гуморальных механизмов регуляции физиологических функций. Рефлекс начинается нервным путем с осморецепторов, а затем включается гуморальный механизм - поступление в кровь специального гормона.

Центр регуляции водно-солевого обмена контролирует все пути транспорта воды в организме: выделение ее с мочой, потом и через легкие, перераспределение между органами тела, всасывание из пищеварительного тракта, секрецию, а также потребление воды. Особенно важными в этом отношении оказываются некоторые участки промежуточного мозга. Если животному в эти участки ввести электроды, а затем через них начать раздражать мозг электрическим током, то животные начинают жадно пить воду. При этом количество выпитой воды может превышать 40% массы тела. В результате появляются признаки водного отравления, связанные с понижением осмотического давления плазмы крови и тканевой жидкости. В естественных условиях эти центры промежуточного мозга находятся под контролирующим влиянием коры больших полушарий головного мозга.

Механизм регуляции водного баланса очень важен в практической жизни. В случаях, когда воду приходится экономить, пить ее ни в коем случае не следует залпом, а обязательно очень маленькими глотками. Вы почувствуете, что напились, хотя воды выпили немного. Знание особенностей регуляции водно-солевого обмена важно еще в одном случае. В жаркую погоду обычно очень хочется пить, и, сколько бы вы ни выпили воды, пить все равно хочется. Но стоит сознательно потерпеть немного, несмотря на чувство жажды, и она проходит. Именно поэтому не следует много пить на жаре, в походе и т. д. Правильная тактика здесь такая: зная, что предстоит трудный поход или длительное пребывание на солнце, лучше заранее выпить воды "про запас", в момент, когда пить еще не хочется. В этом случае потом не возникает такое сильное чувство жажды, как если бы вы начали пить на жаре.

Еще два практических совета. Перед отправлением в поход надо выпить минеральной или подсоленной воды или съесть немного умеренно соленой пищи - брынзы, соленого сыра и т. д. - и хорошо запить ее водой. Дело в том, что с потом теряется много солей, а это приводит к нарастанию утомления, мышечной слабости и т. д. Необходимо знать также, что на жаре нередко возникает "ложная жажда": пить хочется не потому, что в организме мало жидкости, а из-за пересыхания слизистой оболочки полости рта. В этом случае достаточно просто пополоскать рот водой.

Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов, однако только в отношении 27 из них известна физиологическая роль.

Все элементы делят на три группы:

• макроэлементы, содержание которых в клетке составляет до 10 - 3%. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний, составляющие вместе свыше 99% массы клеток;
• микроэлементы, содержание которых колеблется от 10 - 3% до 10 - 12%. Это марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, бром, фтор; на их долю приходится менее 1,0 % массы клеток;
• мультрамикроэлементы, составляющие менее 10 - 12%. Это золото, серебро, уран, селен к др. - в сумме менее 0,01% массы клетки. Физиологическая роль большинства этих элементов не установлена.

Все перечисленные элементы входят в состав неорганических и органических веществ живых организмов или содержатся в виде ионов.

Неорганические соединения клеток представлены водой и минеральными солями.

Самое распространенное неорганическое соединение в клетках живых организмов - вода. Ее содержание в разных клетках колеблется от 10% в эмали зуба до 85% в нервных клетках и до 97 % в клетках развивающегося зародыша. Количество воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды. В среднем в теле многоклеточных содержится около 80 % воды. Такое высокое содержание воды говорит о важной роли, обусловленной ее химической природой.

Дипольный характер молекулы воды позволяет ей формировать вокруг белков водную (сольватную) оболочку, препятствующую склеиванию их друг с другом. Это связанная вода, составляющая 4 - 5% от всего ее содержания. Остальную воду (около 95%) называют свободной. Свободная вода является универсальным растворителем для многих органических и неорганических соединений. Большинство химических реакций идет только в растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов диссимиляции в большинстве случаев возможно только в растворенном виде. Вода принимает и непосредственное участие в биохимических реакциях, протекающих в клетке (реакции гидролиза). С водой связана также регуляция теплового режима клеток, так как она обладает хорошей теплопроводностью и теплоемкостью.

Вода активно участвует в регуляции осмотического давления в клетках. Проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор вещества называется осмосом, а давление, с которым растворитель (вода) проникает через мембрану, - осмотическим. Величина осмотического давления возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей организма человека и большинства млекопитающих равно давлению 0,85 % раствора хлорида натрия. Растворы с таким осмотическим давлением называются изотоническими, более концентрированные - гипертоническими, а менее концентрированные - гипотоническими. Явление осмоса лежит в основе напряжения стенок растительных клеток (тургор).

По отношению к воде все вещества делятся на гидрофильные (водорастворимые) - минеральные соли, кислоты, щелочи, моносахариды, белки и др. и гидрофобные (водонерастворимые) - жиры, полисахариды, некоторые соли и витамины и др. Кроме воды растворителями могут быть жиры и спирты.

Минеральные соли в определенных концентрациях необходимы для нормальной жизнедеятельности клеток. Так, азот и сера входят в состав белков, фосфор - в состав ДНК, РНК и АТФ, магний - в состав многих ферментов и хлорофилла, железо - в состав гемоглобина, цинк - в состав гормона поджелудочной железы, йод - в состав гормонов щитовидной железы и т. д. Нерастворимые соли кальция и фосфора обеспечивают прочность костной ткани, катионы натрия, калия и кальция - раздражимость клеток. Ионы кальция принимают участие в свертывании крови.

Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода (Н+) и гидроксила (ОН-), вследствие чего в клетках и межклеточной жидкости на постоянном уровне поддерживается слабощелочная реакция. Это явление называется буферностъю.

Органические соединения составляют около 20 - 30 % массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры, гормоны, пигменты, АТФ и др.

Белки

Белки составляют 10 - 18 % от общей массы клетки (50 - 80 % от сухой массы). Молекулярная масса белков колеблется от десятков тысяч до многих миллионов единиц. Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно. Они различаются по величине, структуре и функциям, которые определяются количеством и порядком расположения аминокислот. Помимо простых белков (альбумины, глобулины, гистоны) имеются и сложные, представляющие собой соединения белков с углеводами (гликопротеиды), жирами (липопротеиды) и нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды).

Каждая аминокислота состоит из углеводородного радикала, соединенного с карбоксильной группой, имеющей кислотные свойства (-СООН), и аминогруппой (-NH2), обладающей основными свойствами. Аминокислоты отличаются одна от другой только радикалами. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, обладающими одновременно свойствами и кислот, и оснований. Это явление обусловливает возможность соединения кислот в длинные цепочки. При этом устанавливаются прочные ковалентные (пептидные) связи между углеродом кислотной и азотом основной групп (-CO-NH-) с выделением молекулы воды. Соединения, состоящие из двух аминокислотных остатков, называются дипептидами, из трех - трипептидами, из многих - полипептидами.

Белки живых организмов состоят из сотен и тысяч аминокислот, т. е. представляют собой макромолекулы. Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот, которая закодирована в ДНК. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка, от которой, в свою очередь, зависят последующие уровни пространственной организации и биологические свойства белков. Первичная структура белковой молекулы обусловлена пептидными связями.

Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией благодаря установлению между атомами соседних витков спирали водородных связей. Они слабее ковалентных, но, многократно повторенные, создают довольно прочное соединение. Функционирование в виде закрученной спирали характерно для некоторых фибриллярных белков (коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.).

Многие белковые молекулы становятся функционально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путем многократного сворачивания спирали в трехмерное образование - глобулу. Эта структура сшивается, как правило, еще более слабыми дисульфидными связями. Глобулярную структуру имеет большинство белков (альбумины, глобулины и др.).

Для выполнения некоторых функций требуется участие белков с более высоким уровнем организации, при котором возникает объединение нескольких глобулярных белковых молекул в единую систему - четвертичную структуру (химические связи могут быть разные). Например, молекула гемоглобина состоит из четырех различных глобул и геминовой группы, содержащей ион железа.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной ее могут быть различные химические (кислоты, щелочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокие температура и давление, ионизирующие излучения и др.) факторы. Вначале разрушается очень слабая - четвертичная, затем третичная, вторичная, а при более жестких условиях и первичная структура. Если под действием денатурирующего фактора не затрагивается первичная структура, то при возвращении белковых молекул в нормальные условия среды их структура полностью восстанавливается, т. е. происходит ренатурация. Это свойство белковых молекул широко используется в медицине для приготовления вакцин и сывороток и в пищевой промышленности для получения пищевых концентратов. При необратимой денатурации (разрушении первичной структуры) белки теряют свои свойства.

Белки выполняют следующие функции: строительную, каталитическую, транспортную, двигательную, защитную, сигнальную, регуляторную и энергетическую.

Как строительный материал белки входят в состав всех клеточных мембран, гиалоплазмы, органоидов, ядерного сока, хромосом и ядрышек.

Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций в клетках при нормальном давлении и температуре около 37 °С. Каждый фермент может катализировать только одну реакцию, т. е. действие ферментов строго специфично. Специфичность ферментов обусловлена наличием одного или нескольких активных центров, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Некоторые ферменты применяются в медицинской практике и пищевой промышленности.

Транспортная функция белков заключается в переносе веществ, например кислорода (гемоглобин) и некоторых биологически активных веществ (гормонов).

Двигательная функция белков состоит в том, что все виды двигательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными сократительными белками - актином и миозином. Они содержатся во всех мышцах, ресничках и жгутиках. Их нити способны сокращаться с использованием энергии АТФ.

Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ - антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов. Антитела связывают, нейтрализуют и разрушают не свойственные организму соединения. Примером защитной функции белков может служить превращение фибриногена в фибрин при свертывании крови.

Сигнальная (рецепторная) функция осуществляется белками благодаря способности их молекул изменять свою структуру под влиянием многих химических и физических факторов, вследствие чего клетка или организм воспринимают эти изменения.

Регуляторная функция осуществляется гормонами, имеющими белковую природу (например, инсулин).

Энергетическая функция белков заключается в их способности быть источником энергии в клетке (как правило, при отсутствии других). При полном ферментативном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Углеводы

Углеводы - обязательный компонент как животных, так и растительных клеток. В растительных клетках их содержание достигает 90 % сухой массы (в клубнях картофеля), а в животных - 5 % (в клетках печени). В состав молекул углеводов входят углерод, водород и кислород, причем количество атомов водорода в большинстве случаев вдвое превышает число атомов кислорода.

Все углеводы подразделяются на моно-, ди- и полисахариды. Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода, столько же кислорода и вдвое больше водорода (например, C6H12OH - глюкоза). Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (глюкоза и фруктоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных. Дисахариды объединяют в одной молекуле два моносахарида. Пищевой сахар (сахароза) состоит из молекул глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу. Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Молекулы полисахаридов образуются в результате полимеризации моносахаридов. Мономером полисахаридов - крахмала, гликогена, целлюлозы (клетчатки) является глюкоза. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды - крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами.

Углеводы образуются в зеленых растениях в процессе фотосинтеза и могут использоваться в дальнейшем для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и других соединений.

Углеводы выполняют три основные функции: строительную (структурную), энергетическую и запасающую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид - хитин - наружный скелет членистоногих. Углеводы в соединении с белками (гликопротеиды) входят в состав костей, хрящей, сухожилий и связок. Углеводы выполняют роль основного источника энергии в клетке: при окислении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии. Гликоген откладывается в мышцах и клетках печени в качестве запасного питательного вещества.

Липиды

Липиды (жиры) и липоиды являются обязательными компонентами всех клеток. Жиры представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а липоиды - жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения нерастворимы в воде (гидрофобны). Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеиды), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др. Содержание жиров в клетке колеблется от 5 до 15 % массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки - до 90 %.

Жиры выполняют строительную, энергетическую, запасающую и защитную функции. Бимолекулярный слой липидов (преимущественно фосфолипиды) образует основу всех биологических мембран клеток. Липиды входят в состав оболочек нервных волокон. Жиры являются источником энергии: при полном расщеплении 1 г жира высвобождается 38,9 кДж энергии. Они служат источником воды, выделяющейся при их окислении. Жиры являются запасным источником энергии, накапливаясь в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений. Они защищают органы от механических повреждений (например, почки окутаны мягким жировым «футляром»). Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке некоторых животных (киты, тюлени), жиры выполняют теплоизоляционную функцию.

Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они впервые были обнаружены в ядрах клеток, откуда и их название.

Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). ДНК входит в основном в хроматин ядра, хотя небольшое ее количество содержится и в некоторых органоидах (митохондрии, пластиды). РНК содержится в ядрышках, рибосомах и в цитоплазме клетки.

Структура молекулы ДНК была впервые расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Она представляет собой две полинуклеотидные цепи, соединенные друг с другом. Мономерами ДНК являются нуклеотиды, в состав которых входят: пятиуглеродный сахар - дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Нуклеотиды отличаются один от другого только азотистыми основаниями. В состав нуклеотидов ДНК входят следующие азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются в цепочку путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Обе цепочки объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек, причем в силу определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливаются две связи, а между гуанином и цитозином - три. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А-Т, Г-Ц. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарное. Это свойство лежит в основе репликации (самоудвоения) молекулы ДНК, т. е. образования новой молекулы на основе исходной.

Репликация

Репликация происходит следующим образом. Под действием специального фермента (ДНК-полимеразы) разрываются водородные связи между нуклеотидами двух цепочек, и к освободившимся связям по принципу комплементарности присоединяются соответствующие нуклеотиды ДНК (А-Т, Г-Ц). Следовательно, порядок нуклеотидов в «старой» цепочке ДНК определяет порядок нуклеотидов в «новой», т. е. «старая» цепочка ДНК является матрицей для синтеза «новой». Такие реакции называются реакциями матричного синтеза, они характерны только для живого. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2 x 108 нуклеотидов. Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разными их размерами и различной последовательностью нуклеотидов.

Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации. Благодаря матричному синтезу наследственная информация дочерних клеток точно соответствует материнской.

РНК

РНК, как и ДНК, представляет собой полимер, построенный из мономеров - нуклеотидов. Структура нуклеотидов РНК сходна с таковой ДНК, но имеются следующие отличия: вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар - рибоза, а вместо азотистого основания тимина - урацил. Остальные три азотистых основания те же: аденин, гуанин и цитозин. По сравнению с ДНК в состав РНК входит меньше нуклеотидов и, следовательно, ее молекулярная масса меньше.

Известны двух- и одноцепочечные РНК. Двухцепочечные РНК содержатся в некоторых вирусах, выполняя (как и ДНК) роль хранителя и передатчика наследственной информации. В клетках других организмов встречаются одноцепочечные РНК, которые представляют собой копии соответствующих участков ДНК.

В клетках существуют три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная.

Информационная РНК (и-РНК) состоит из 300 - 30 000 нуклеотидов и составляет примерно 5 % от всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.

Транспортная РНК (т-РНК) составляет до 10 % от всей РНК клетки и состоит из 75-85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.

Основную часть РНК цитоплазмы (около 85 %) составляет рибосомальная РНК (р-РНК). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК включают 3 - 5 тыс. нуклеотидов. Считают, что р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.